Wykład VIII

LIGHT EMITTING DIODE – LED

Absorpcja światła w półprzewodnikach

Dioda LED

Ge Si GaAs

Dopasowanie sieciowe

TU Dresden 09.12.2010

Dopasowanie sieciowe

Dioda LED – diagram pasmowy

Polaryzacja LED

Izolator optyczny

Wyświetlacz LED

GaAs(1-x) Px

Ga

PAs

GaAs(1-x) Px

• GaAs(1-x) Px –związek półprz. na bazie GaAs i GaP• GaAs –prosta przerwa , GaP -skośna• Kryształ mieszany GaAs(1-x) Px –przejście prosta-

skośna dla x=0.45-0.5• LED czerwone, pomarańczowe i żółte są

wykonywane z GaAs(1-x) Px

System GaAs(1-x) Px

x = 0.45 przejście skośna - prosta

GaAs+GaP = GaAs (1-x)Px

Czułość oka

eV

GaP = 2.26eV GaAs = 1.42eV

skośna ----------- > prostaGaP - skośna, ale w krysztale mieszanym z GaAs –prosta dla x =

0.45

1.997eV

GaAs (1-x) Px

GaAs(1-x) Px domieszkowany N

• skośna brak przejść promienistych

• skośna GaAs(1-x) Px – przejścia promieniste po dodaniu N– wydajność kwantowa rośnie ~ 100 razy– długośc fali emitowanej rośnie

• Wydajność kwantowa = ilość emitowanych fotonów w jednostce czasu/ ilość dostarczanych elektronów w jednostce czasu

Jak wydajna jest rekombinacja par e-h?

Domieszka izoelektronowa i relacja nieoznaczoności Heisenberga (N +GaAsP)

N ma tę samą walencyjność co P i As N może zastąpić w sieci GaAsP P lub As. N i P ma tę sama liczbę elektronów walencyjnych ale inną strukturę rdzenia N powoduje zaburzenie potencjału – wprowadza studnię potencjału Pojawia się dodatkowy poziom pułapkowy poniżej pasma przewodnictwa Elektron może zostać spułapkowany na ten poziom Dziura może zostać spułapkowana tak, że utworzy się para e-h (ekscyton) Nośniki są zlokalizowane, pseudopęd i wektor falowy – zdelokalizowane ze

względu na relację nieoznaczoności Heisenberga

N w GaAsP

bez N

N wprowadza zaburzenie

e „wpada” do pułapki i tworzy ekscyton

e

e

VB

CB

VB

CB

ED

VB

CB

Eg

Domieszkowanie powoduje wzrost wydajności kwantowej i przesunięcie długości emitowanej fali w stronę fal dłuższych (energia przejścia jest mniejsza: Eg - Ed<Eg)

Zasada nieoznaczoności Heisenberga

K

h

E

Diagram pasmowyProsta przerwa GaAs Skośna przerwa GaP

czerwony foton

zielony foton

Prosta-skośna

Domieszkowana N – wydajność luminescencji rośnie

zawartość GaP %

Wydajność kwantowa

IR & Red LED

GaAs prosta przerwa, złącza p-n o wysokiej wydajności luminescencji poprzez domieszkowanie Zn lub Si ( GaAs: Si diody LED na bliska podczerwień).

GaAsP prosta-skośna

GaInAsP epitaksja na InP ; przerwa może być zmieniana tak, że długość fali można zmieniać od 919nm do

1600nm

LED na zakres widzialny

GaAsP / GaAs 655nm / czerwona

GaP 568nm / jasno zielona

GaP 700nm / jasno czerwona

GaAsP / GaP 610nm / bursztynowa

GaP 555nm / zielona

GaAsP / GaP 655nm czerwona o wysokiej wydajności

GaAlAs / GaAs 660nm / czerwona

InGaAsP 574nm / zielona

InGaAsP 620nm / pomarańczowa 

InGaAsP 595nm / zółta

Azotki i niebieskie LED

• Trudności:– Znaleźć odpowiednie podłoża – Otrzymać azotki typu p

• GaN, InGaN, AlGaN diody LED o wysokiej wydajności (niebieskie/zielone)

• Pierwsza niebieska dioda LED 1994 Shuji & Nakamura (czas życia 10 000 gdozin)

• SiC jest także stosowany na niebieskie LED - (SiC na podłożu GaN)

Ewolucja wydajności luminescencji

TU Dresden 09.12.2010

Spektralne charakterystyki LED i czułość oka

CIE - INTERNATIONAL COMMISSION ON ILLUMINATION

Band offset

 AIN/GaN(0001)Referencje

ΔEc = 2.0 eV Martin et al. (1996)

ΔEv = 0.7 eV  

 InN/GaN  

ΔEc = 0.43 eV Martin et al. (1996)

ΔEv = 1.0 eV  

Wurtzite GaNWurtzite GaN

TU Dresden 09.12.2010

                                                                               

              

GaN: Struktura niebieskiej LED

Niebieska LED

Zastosowanie:

Płaskie ekrany (R,G,B – B)

Drukarki o wysokiej rozdzielczości

Telekomunikacja

TU Dresden 09.12.2010

GaN LED

UV-LED na bazie GaN

UV-LED – diody do kalibracji, detektory UV etc.

Niebieskie i fioletowe LED + fosfor i biała LED

Białe diody LED są wydajniejsze niż 100W żarówka. Czas życia >10 000 h. Żarówka 100W zwykle pracuje ~ 750-1500 h.

Generacja białych diod LED: konwersja przy użyciu fosforów i mieszania barw RGB

Selenki

• Grupa II-VI (ZnSe, ZnO)• ZnSe – niebieskie i zielone diody i laser; problem z

podłożem• GaAs i GaN można stosować na podłoża dla ZnSe

(stała sieci dla GaAs = 5.6Å i dla ZnSe = 5.5Å)• Krótki czas życia

Kryształ ZnSeTe LED zielone i niebieskie

Selenki- przerwa vs stała sieci

Fotoefekt

Zielona dioda świecąca jest jednocześnie fotodiodą czułą na światło zielone (lub mające większą energię – niebieskie i fioletowe)